prova de física - Instituto de Física / UFRJ

PROCESSO SELETIVO – TURMA DE 2011
FASE 1 – PROVA DE FÍSICA E SEU ENSINO
Caro professor, cara professora
esta prova tem 4 (quatro) questões, com valores diferentes indicados nas
próprias questões. Duas das questões são objetivas, e as outras duas são
discursivas.
A duração da prova é de 2 horas e 30 minutos.
Boa prova.
NOME:
_______________________________________________
ASSINATURA: ___________________________________________
Número: ______________
Questão 1 (valor total: 3,0 pontos)
Os itens a seguir têm todos igual valor (0,3 cada).
Item 1.1
Uma partícula descreve um movimento retilíneo. No gráfico, está representada a
componente da velocidade desta partícula ao longo da trajetória como função do
tempo. No instante t = 0 s, a partícula está na posição x = 0 cm.
vx
( cm s )
3
2
1
t
0
-5
-4
-3
-2
-1
(s )
0
1
2
3
4
5
-1
-2
-3
Assinale a afirmativa correta:
(a) A velocidade da partícula no instante t = 0 s vale v x = 0 cm/s.
(b) A aceleração da partícula no instante t = 2,5 s vale a x = −1 cm/s2.
(c) O deslocamento da partícula no intervalo entre t = 0 e t = 2 s vale ∆x = 2 cm.
(d) A posição da partícula no instante t = 2 s é x = 0 cm.
(e) Nenhuma das respostas anteriores.
Item 1.2
Numa montanha russa de um parque de diversões, um carrinho de massa m = 100 kg
está a uma altura de h = 4 m em relação ao solo com velocidade de módulo
v 0 = 4 m/s. Ao atingir o nível do solo, sua velocidade vale v 1 = 8 m/s. Considere
g = 10 m/s2 .
Assinale a resposta correta.
Em relação à energia mecânica deste sistema, podemos afirmar que
(a) ela não varia, pois há conservação de energia;
(b) sua variação é de -1600 J, pois há forças dissipativas atuando sobre o sistema;
(c) sua variação é de 4000 J, pois o peso realiza trabalho positivo;
(d) sua variação é de -800 J, devido ao trabalho da força de resistência do ar;
(e) nenhuma das respostas anteriores.
Item 1.3
Um barquinho flutua, em repouso, numa piscina; dentro dele estão uma pessoa e uma
pedra. A pessoa joga a pedra dentro da piscina.
Assinale a resposta correta.
Após o reestabelecimento do equilíbrio hidrostático,
(a) o nível da água na piscina sobe;
(b) o nível da água na piscina desce;
(c) o nível da água na piscina não se altera;
(d) faltam dados para responder.
NOME: _____________________________________
SELEÇÃO 2011 – FASE 1 – p. 2
Item 1.4
Uma partícula realiza um movimento sem atrito no interior de um trilho de perfil
circular na vertical. O movimento é tal que ela não perde contato com o trilho
durante todo o trajeto.
Represente o vetor força resultante sobre a partícula nos pontos A, B, C e D
indicados na figura.
C
B
D
A
Item 1.5
O corpo A tem o dobro da massa do corpo B e o dobro do calor específico do corpo B.
Assinale a resposta correta.
Se quantidades iguais de calor são transferidas para estes corpos, pode-se afirmar que
as variações de temperatura do corpo A ( ∆T A ) e do corpo B ( ∆TB ) estão relacionadas
através da expressão
(a) 4 ∆T A = ∆TB ;
(b) 2 ∆T A = ∆TB ;
(c) ∆T A = ∆TB ;
(d) ∆T A = 2 ∆TB ;
(e) ∆T A = 4 ∆TB .
Item 1.6
Um gás ideal passa do estado de equilíbrio inicial i ao estado de equilíbrio final f por
dois processos reversíveis, A e B, como representados no diagrama pV da figura.
Assinale a resposta correta.
Pode-se afirmar a respeito do calor Q recebido
pelo gás nestes processos que
(a) Q B > Q A
(b) Q B = Q A
(c) Q B < Q A
(d) Faltam dados para responder a esta questão.
Pressão
A
i
f
B
Volume
NOME: _____________________________________
SELEÇÃO 2011 – FASE 1 – p. 3
Item 1.7
A figura abaixo ilustra a tela de um osciloscópio com dois sinais senoidais. A escala
vertical é de 2 V por divisão e a escala horizontal é de 100 ns por divisão (1ns = 10-9s),
e essas escalas podem ser melhor visualizadas pela grade ao fundo.
As afirmações a seguir referem-se aos sinais medidos pelo osciloscópio; o primeiro
sinal está na parte superior da figura e o segundo, na parte inferior.
Assinale a resposta correta.
(a) A amplitude do primeiro sinal vale A1 = (2 ,6 ± 0 ,2 ) V e a amplitude do segundo
sinal, A2 = (1,3 ± 0 ,2 ) V.
(b) A amplitude e o período do primeiro sinal valem respectivamente A1 = (1,3 ± 0 ,2 ) V
e T1 = (2,6 ± 2 ) × 10 −7 s.
(c) A diferença de fase entre os dois sinais é nula, e a amplitude de cada um deles
vale A = (2 ,6 ± 0 ,2 ) V.
(d) A diferença de fase entre os dois sinais vale π / 2 e mantém-se constante.
(e) A amplitude do primeiro sinal vale A1 = (2 ,6 ± 0 ,2 ) V e o período do segundo sinal
vale T1 = (5 ,0 ± 0 ,2 ) ×10 −7 s.
Item 1.8
A figura mostra uma superfície fechada S orientada com vetor normal n̂ para fora, e
três cargas puntiformes q1 , q 2 e q 3 .
Assinale a resposta correta.
O fluxo do campo eletrostático através de S é
q + q2 + q3
;
(a) 1
S
ε0
(b)
(c)
q1 + q 3 − q 2
ε0
q1 + q 3
ε0
;
;
n̂
q1
q2
q3
(d) 0;
(e) nenhuma das respostas anteriores.
NOME: _____________________________________
SELEÇÃO 2011 – FASE 1 – p. 4
Item 1.9
r
Considere um dipolo magnético puntiforme m = m0 ẑ localizado inicialmente na
origem dos eixos cartesianos e uma espira circular de centro no ponto ( 0 ,0 , h ) , com
h > 0 e orientada de forma tal que o plano da espira esteja paralelo ao plano xy ,
como indica a figura.
z
R
h
r
m
x
y
O dipolo magnético é então transladado ao longo do eixo z de modo a se aproximar
da espira. Consideremos a corrente induzida na espira vista de cima, isto é,
observada de um ponto ( 0 ,0 , z ) , com z > h .
Assinale a resposta correta.
Podemos afirmar que
(a) a corrente induzida na espira é nula e, consequentemente, a força magnética
sobre a espira é nula, pois o dipolo se move ao longo de seu eixo de simetria;
(b) a corrente induzida na espira flui no sentido horário e a força sobre a espira é
atrativa;
(c) a corrente induzida na espira flui no sentido horário e a força sobre a espira é
repulsiva;
(d) a corrente induzida na espira flui no sentido anti-horário e a força sobre a espira é
atrativa;
(e) a corrente induzida na espira flui no sentido anti-horário e a força sobre a espira é
repulsiva.
Item 1.10
Uma lente exibe o que é chamado de “aberração cromática”, isto é, sua distância
focal para a luz vermelha é maior do que para a luz azul.
Assinale a resposta correta.
Este comportamento pode ser explicado com base no fato de que
(a) a resolução da lente é maior para o azul do que para o vermelho;
(b) a resolução da lente é menor para o azul do que para o vermelho;
(c) a luz azul é refratada mais fortemente do que a luz vermelha;
(d) a luz vermelha é refratada mais fortemente que a luz azul;
(e) nenhuma das respostas anteriores.
NOME: _____________________________________
SELEÇÃO 2011 – FASE 1 – p. 5
Questão 2 (valor 2,0 pontos)
A seguir, apresentamos uma série de afirmativas.
afirmativa é falsa ou verdadeira.
Você deve assinalar se a
2.1
A configuração esquemática da figura pode representar a situação em (V)
que temos um eclipse solar.
(F)
2.2
As forças básicas na natureza que representam as interações (V)
fundamentais são o peso, o atrito, a força elástica, as trações e a normal
de contato.
( F)
2.3
Carrega-se um capacitor com uma carga Q e nessa situação a d.d.p. (V)
entre suas placas é V . Se dobrarmos a carga do capacitor, a d.d.p.
entre suas placas irá quadruplicar.
( F)
2.4
Um objeto de massa m = 0 ,5 kg é empurrado contra uma parede por uma (V)
r
força horizontal F de módulo F = 40 N. O coeficiente de atrito estático
entre a parede e a superfície do objeto vale µ E = 0,40 e a aceleração da
gravidade vale g = 10 m/s2. O objeto fica em repouso, não deslizando, e
o valor da força de atrito sobre ele vale 16 N.
( F)
2.5
A direção de propagação de uma onda sonora ao passar do ar para a água
sofre um desvio, afastando-se da normal, devido à lei de Snell.
(V)
( F)
2.6
Uma partícula move-se ao longo do eixo x com uma aceleração dada por (V)
a x = a0 cos (ω t ) , onde a0 e ω são constantes positivas e t é um instante
de tempo qualquer.
Sabendo-se que em t = 0 sua velocidade é
v x 0 = a0 ω , podemos afirmar que sua velocidade em t1 = π (2ω ) vale
v x1 = 2a0 ω .
( F)
2.7
Um gás ideal sofre uma expansão livre de um estado de equilíbrio inicial (V)
a outro estado de equilíbrio final. Embora a energia interna e a entropia
sejam funções de estado, não é possível calcular a variação das mesmas
nesse processo pois trata-se de um processo irreversível.
(F)
r
F
NOME: _____________________________________
SELEÇÃO 2011 – FASE 1 – p. 6
2.8
Um aro e um disco possuem a mesma massa e o mesmo raio. Ambos (V)
descem, rolando sem deslizar, uma mesma rampa inclinada. Podemos
afirmar que as acelerações angulares dos dois movimentos são iguais.
( F)
2.9
Na figura, estão representados (esquematicamente) um espelho esférico, (V)
um objeto A e dois raios que partem de A e são refletidos pelo espelho.
( F)
A
O
F
A imagem deste objeto é bem definida, e está localizada no ponto de
interseção dos dois raios refletidos pelo espelho.
2.10
Uma linha de campo eletrostática pode começar na superfície de um (V)
condutor e retornar à mesma, desde que o ângulo da linha com a
superfície seja de 90° e que a linha comece em cargas positivas e
termine em cargas negativas.
NOME: _____________________________________
( F)
SELEÇÃO 2011 – FASE 1 – p. 7
Questão 3 (valor: 2,5 pontos)
Um bloco de massa m desliza sobre a superfície inclinada de uma cunha triangular de
massa M . Esta superfície, cujo ângulo de inclinação em relação à horizontal é θ
conforme indica a figura, é constituída por dois materiais diferentes: no seu primeiro
trecho, o atrito entre o bloco e a superfície é desprezível, e no segundo trecho há
atrito. Durante todo o movimento do bloco, a cunha permanece em repouso em
relação ao tablado devido ao atrito estático de módulo fE exercido sobre ela pelo
tablado.
m
atrito
M
θ
(a) Durante o movimento do bloco no trecho sem atrito,
i. isole o bloco e represente todas as forças que atuam sobre ele,
ii. isole a cunha e represente todas as forças que atuam sobre ela,
r
r
iii. e determine os módulos da força de atrito fE e da força normal N exercidas
pelo tablado sobre a cunha.
(b) Quando o bloco alcança o trecho com atrito, começa a deslizar com velocidade
constante. Repita os itens (a.i), (a.ii) e (a.iii).
NOME: _____________________________________
SELEÇÃO 2011 – FASE 1 – p. 8
Questão 4
(valor 2,5 pontos)
Duas esferas de material não condutor, de raios 2R e R , estão carregadas
uniformememente com cargas q e − q respectivamente. Os centros das esferas estão
localizados nos pontos (− 2 R ,0 ,0 ) e (2 R ,0 ,0 ) de um sistema cartesiano de coordenadas, como indica a figura.
y
x
(a) Calcule o campo eletrostático nos pontos P = (0 , y = 4 R , 0 ) e Q = (x = 4 R , 0 , 0 ) .
(b) Calcule a diferença de potencial eletrostático V ( P ) − V ( Q ) entre os pontos P e
Q especificados no item anterior.
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SELEÇÃO 2011 – FASE 1 – p. 9